3. Elektrische Felder
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- August Lang
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1 3. Elektrische Felder Das dem Menschen wohl am längsten bekannte elektrische Phänomen ist der Blitz. Aufgrund der Urgewalt von Blitzen wurden diese in der Antike Gottheiten wie dem Donnergott Thor zugeschrieben. In der nordischen Mythologie kämpft der Donnergott Thor mit seinem Hammer gegen Riesen oder andere Wesen aus der nordischen Götterwelt. Trifft der Donnergott einen Gegner mit seinem Hammer so entstehen Blitz und Donner. [18] Thor Erst Mitte des 18. Jahrhunderts konnte Benjamin Franklin durch lebensgefährliche Experimente während eines Gewitters nachweisen, dass es sich bei Blitzen um ein natürliches Phänomen handelt. Hierzu lies Franklin während eines Gewitters einen Drachen an einer Metallschnur aufsteigen in den wie bei einem Blitzableiter Blitze einschlugen. Franklin konnte zeigen, dass bei einem Blitz starke elektrische Ströme durch die Drachenschnur fließen. Er erkannte, dass Blitze entstehen, wenn sich Wolken elektrisch aufladen und sich hierdurch zwischen der Gewitterwolken und dem Erdboden eine starke elektrische Spannung aufbaut. Erreicht die Spannung eine bestimmte Stärke, so kommt es zu einer Entladung der Gewitterwolke, die in Form eines hellen Lichtbogens, dem Blitz sichtbar wird. 3.1 Die elektrische Ladung Elektrische Ladungen können in einem einfachen Experiment nachgewiesen werden. Reibt man mit einem aufgeblasenen Luftballon an einem Wollpullover, so lädt sich der Luftballon hierdurch elektrisch auf. Nähert man sich dann mit dem Luftballon einem Menschen mit langen Haaren so werden die Haare vom Luftballon angezogen.
2 In der Physik verwendet man zum Nachweis von elektrischen Ladungen sog. Elektroskope. Ein Elektroskop besteht aus, einer gegenüber dem Erdboden isolierten Halterung und einem beweglichen Zeiger. Sowohl Halterung als auch Zeiger sind aus Metall. Reibt man mit einem Katzenfell an einem Plastikstab, so wird dieser durch die Reibung negativ elektrisch aufgeladen. Berührt man nun mit dem geladenen Plastikstab das Elektroskop, so schlägt der Zeiger des Elektroskops aus. Bei der Berührung mit dem geladenen Plastikstab werden negative elektrische Ladungen auf das Elektroskop übertragen. Diese verteilen sich gleichmäßig auf die Halterung und den Zeiger und stoßen sich gegenseitig ab. Der Zeiger des Elektroskops schlägt somit aus. Berührt man das Elektroskop dann mit der Hand, so fließen die Ladungen direkt über den menschlichen Körper ab und der Zeigerausschlag geht zurück.
3 Ein analoger Versuch kann mit einem Glasstab durchgeführt werden. Dieser wird jedoch im Gegensatz zum Plastikstab durch Reibung positiv aufgeladen. Auch hier schlägt der Zeiger des Elektroskops bei Berührung aus, da sich auch positive Ladungen gegenseitig abstoßen. Anmerkung: Ob sich ein Körper durch Reibung positiv oder negativ auflädt ist materialabhängig. Einige Materialien geben zum Beispiel sehr gerne Elektronen ab, wohingegen andere Materialien gerne Elektronen aufnehmen. Dieses Verhalten wird in der Chemie mit Elektronegativität bezeichnet. Eine genaue physikalische Erklärung der Aufladung durch Reibung ist jedoch sehr komplex und bis heute noch nicht vollständig verstanden. Zusammenfassung: Alle Körper bestehen aus positiv geladenen Atomkernen, die von negativ geladenen Elektronen umgeben sind. Einige Körper lassen sich durch Reibung elektrisch aufladen. Ist ein Körper negativ geladen, so besitzt er einen Überschuss an Elektronen, das heißt er besitzt mehr negative als positive Ladungen. Ist ein Körper elektrisch positiv geladen, so besitzt er einen Mangel an Elektronen, das heißt er besitzt mehr positive als negative Ladungen. Ist die Anzahl der negativen Ladungen gleich der Anzahl der positiven Ladungen so nennt man den Körper elektrisch neutral. Sind zwei Körper gleichnamig geladen, so stoßen sie sich gegenseitig ab. Zwei ungleichnamig geladene Körper ziehen sich gegenseitig an. Elektrische Ladungen können weder zerstört noch erzeugt werden. Sie können lediglich auf andere Körper übertragen werden. Es gilt der sog. Ladungserhaltungssatz : In einem abgeschlossenen System ist die Summe der elektrischen Ladungen konstant. 3.2 Influenz und Polarisation Reibt man mit einem Katzenfell an einem Plastikstab so wird der Plastikstab negativ elektrisch aufgeladen. Die elektrische Ladung kann durch Berührung auf ein Elektroskop übertragen werden, das dann ausschlägt. Beobachtet man diesen Vorgang jedoch genauer, so ist zu erkennen, dass das Elektroskop bereits ausschlägt bevor es mit dem Stab in Kontakt gekommen ist. Erstaunlicherweise reicht bereits die Nähe des geladenen Stabes aus, um einen Einfluss auf das Elektroskop zu haben. Dieser Effekt wird elektrische Influenz, zu Deutsch elektrische Beeinflussung genannt. Die Influenz kann wiederum durch die Abstoßung von gleichnamigen Ladungen erklärt werden. Nähert man sich mit dem negativ geladenen Stab dem Elektroskop, so werden die negativen Ladungen im oberen Teil des Elektroskops von den negativen Ladungen im Plastikstab abgestoßen
4 und wandern nach unten in Richtung Halterung und Zeiger. Im oberen Teil des Elektroskops herrscht somit Elektronenmangel wohingegen im unteren Teil, also die Halterung und der Zeiger Elektronenüberschuss herrscht. Die Elektronen in Halterung und Zeiger stoßen sich nun gegenseitig ab und der Zeiger schlägt aus. Entfernt man den Plastikstab wieder, ohne dass das Elektroskop berührt wurde, so gleichen sich die Ladungen im Elektroskop wieder aus und der Zeigerausschlag geht zurück. Definition: Die Trennung von Ladungen in einem elektrisch leitenden Körper unter dem Einfluss eines äußeren geladenen Körpers wird Influenz genannt. Ein ähnlicher Effekt ist zu beobachten, wenn man sich mit einem geladenen Plastikstab einem zweiten Plastikstab nähert, der auf einer Nadel frei drehbar gelagert ist. Obwohl dieser ungeladen ist wird er vom geladenen Plastikstab angezogen. Dieser Effekt ist zunächst erstaunlich, da sich die Ladungen in einem Isolator nicht wie in einem Metall frei verschieben lassen. Als Erklärung kann somit elektrische Influenz ausgeschlossen werden.
5 Betrachtet man den Isolator jedoch auf molekularer Ebene so ist zu beobachten, dass sich die Moleküle unter Einfluss der äußeren Ladung ausrichten. Der Körper wird polarisiert. Obwohl sich die Moleküle nicht frei bewegen können wird durch die Ausrichtung bewirkt, dass eine Seite des Körpers positiv geladen und die andere Seite negativ geladen ist. Die positiv geladene Seite des Plastikstabes zieht deshalb den negativ geladenen Plastikstab an. Definition: Die Ausrichtung von Ladungsträgern (Molekülen) in einem nichtleitenden Köper unter dem Einfluss eines äußeren geladenen Körpers wird Polarisation genannt.
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